Fricción Estática - ¿Es lo único que puede acelerar un tren?

Question

Soy un programador de computadoras que nunca estudió física en la escuela y ahora me está afectando un poco en algunas de las cosas que me piden programar. Estoy intentando estudiar física por mi cuenta y tengo algunos libros abiertos de introducción a la física de código abierto y lo entiendo en su mayor parte, pero estoy un poco confundido con esta declaración que encontré en una sección sobre fricción estática.

Ya ha explicado la fórmula para la fricción estática y demás. Se adentra en una sección que explica que el peso de un tren aumenta la fricción estática entre las ruedas y las vías. Está bien, tiene sentido. Pero luego dice esto:

La razón por la que las locomotoras son tan pesadas es para tracción. La fuerza normal hacia arriba de las vías en las ruedas, FN, cancela la fuerza hacia abajo de la gravedad, FW, por lo que sin tener en cuenta los signos positivos y negativos, estas dos fuerzas son iguales en valor absoluto, FN = FW. Dada esta cantidad de fuerza normal, la fuerza máxima de fricción estática es Fs = sFN = sFW. Esta fuerza de fricción estática, de las vías empujando hacia adelante en las ruedas, es la única fuerza que puede acelerar el tren, tirar cuesta arriba o cancelar la fuerza de la resistencia del aire mientras se desplaza a velocidad constante. El coeficiente de fricción estática para acero sobre acero es de aproximadamente 1/4, por lo que ninguna locomotora puede tirar con una fuerza mayor a aproximadamente 1/4 de su propio peso. Si el motor es capaz de proporcionar más que esa cantidad de fuerza, el resultado será simplemente romper la fricción estática y hacer girar las ruedas.

- "Física Newtoniana", Light and Matter - Libro 1, p158 B. Crowell http://www.lightandmatter.com/bk1.pdf

Estoy confundido acerca de cómo la fricción estática es lo único que puede mover el tren hacia adelante. Pensaba que la fricción estática era lo que lo mantenía en su lugar en primer lugar. Hay otra fuerza - de la que no puedo pensar el nombre, pero he oído en algún lugar - que pensé era más lo que están describiendo aquí, donde el peso de las ruedas empujando hacia abajo y ligeramente hacia adelante en las vías hace que las vías empujen hacia arriba y hacia adelante (desde el lado opuesto).

¿Alguien me puede explicar qué está diciendo esto?

Answer 1

Todo esto es simplemente una manera complicada (y confusa, o simplemente confundida) de decir que, si quieres que la locomotora tire del tren, no quieres que sus ruedas resbalen. Es la fricción la que evita que las ruedas resbalen.

Sugiero simplemente eliminar esta oración:

Esta fuerza de fricción estática, de las vías empujando hacia adelante en las ruedas, es la única fuerza que puede acelerar el tren, tirarlo cuesta arriba, o cancelar la fuerza de la resistencia del aire mientras se desplaza a velocidad constante.

El párrafo tiene mucho más sentido sin ella. El autor intenta referirse a la tercera ley de Newton (acción y reacción igual y opuesta) pero esta forma de expresarlo provoca más confusión que claridad.

Answer 2

Lo que necesitas pensar aquí es que las ruedas se desplazan.

Si no hubiera fricción entre las ruedas y la vía, encender la locomotora solo haría que la rueda motriz gire.

La fricción actúa para prevenir o resistir el movimiento relativo entre las dos superficies. Entonces, si hay un par en las ruedas y el punto de contacto no puede moverse respecto al riel (justo donde toca) debido a la fricción estática, la única forma en que la rueda puede girar es si el tren se mueve respecto a la rueda.

Answer 3

Hay una pregunta sobre lo que estás tratando de aprender sobre la fricción a partir de este ejemplo enrevesado. Lo que puede ser un poco confuso es que hay dos tipos de fricción fricción estática y fricción cinética. La fricción cinética es la fricción asociada con dos sustancias deslizándose una contra la otra, lo cual solo puede ocurrir cuando una se está moviendo en relación a la otra. Por lo tanto, la fricción cinética está asociada con el movimiento. La fricción estática es la fricción asociada con mantener un objeto estacionario. Sin embargo, cuando se considera el movimiento de una rueda rodante, la fricción de la rueda rodante es fricción estática, a pesar del movimiento de la rueda, porque la rueda nunca resbala realmente en la pista (o al menos no se supone que lo haga).

El nombre de la fuerza que estás buscando en el último párrafo se llama Fuerza Normal. Mira el artículo de Wikipedia sobre Fricción si eso ayuda ya que proporciona más ecuaciones y diagramas.

EDICIÓN (después de un comentario abajo) A partir de la pregunta original y los comentarios, podemos ver que un componente adicional de esta pregunta era tener una mejor comprensión de un caso más complejo de deformación elástica. Para entender esto, considera un objeto masivo en un colchón elástico: entonces habrá una deformación en forma de U o V en el material. Modelar esto requeriría un poco de matemáticas y Ley de Hooke (F=-kx) parecería la más apropiada como una aproximación. Ahora, si este objeto se estuviera moviendo hacia adelante a cierta velocidad v, entonces la deformación correspondiente también viajará a esa velocidad. También sería necesario modelar la tensión superficial del material (que podría romperse si la deformación fuera demasiado grande). Juntas, todas estas causarán deformaciones adelantadas y retrasadas (y posiblemente oscilaciones) en el material.

Dado que esto es para un modelo informático, no está claro si la física de esta oscilación del material tiene que ser exactamente correcta de acuerdo a algunos parámetros y ecuaciones específicas, o si es solo un efecto para demostración en algún juego de computadora. En cualquier caso, se requiere un modelado adicional para determinar la ecuación para tal movimiento, basado en los principios anteriores. Si estamos tratando con el movimiento de autos en carreteras o trenes en vías, entonces este modelado adicional debería ser innecesario y tal deformación elástica se puede ignorar.

Answer 4

A medida que las ruedas intentan rodar, son impedidas de rodar por la fuerza de fricción que actúa en dirección opuesta. A medida que la fuerza de tracción excede la fuerza de fricción límite, la rueda comienza a rodar hacia adelante con respecto a los rieles. La fuerza intenta inducir el movimiento relativo entre las ruedas y los rieles. Como los rieles no pueden retroceder (debido a la fricción), las ruedas tienen que rodar hacia adelante para inducir el movimiento relativo. La fricción se opone a la rotación de la rueda hasta alcanzar la fricción límite.